CN118589211A - 一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其周期单元结构包括底部反射层、三层雷达吸收层和顶部红外屏蔽层，底部反射层与三层雷达吸收层各层之间设有不同厚度的泡沫层；三层雷达吸收层的电阻膜结构由下到上，分别为单片方片、2×2方片阵列、4×4方片阵列结构，红外屏蔽层的金属结构由方形金属阵列构成，每个金属阵列单元由中央正八边形和四周的正直角三角形构成。本发明的红外屏蔽层通过增加低红外发射率材料的占空比来实现红外隐身，而吸收体中的三层雷达吸收层通过产生多个谐振点来拓宽吸收带宽。其具有红外发射率低、超宽带吸波、极化不敏感等特点。

Description

一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料

技术领域

本发明属于红外-雷达兼容隐身领域，尤其涉及一种在3-5μm和8-14μm波段的红外隐身，并且在微波段吸波的超宽带吸波体。

背景技术

近年来，可见光、红外、雷达和激光探测技术的发展已经取得了显著进步，传统的单波段雷达、红外等探测技术已无法满足当今和未来军事发展的需求。因此，多波段兼容隐身技术的需求日益重要，以提高武器和装备在战场上的生存能力。在各种探测方法中，雷达(微波)和红外探测是最常用的。因此，近期工作中明确显示，微波和红外兼容隐身技术的发展已成为多波段兼容隐身的主要研究领域。红外隐身需要高反射率和低辐射率，而雷达隐身则需要低反射率和高吸收率。在传统材料中，无法同时兼顾良好的红外隐身和雷达隐身性能。为实现红外-雷达兼容的目标，研究人员广泛探索了复合涂层材料，包括纳米材料、光子晶体和导电聚合物，在独立调制电磁波的同时实现宽带微波吸收和有效的热红外屏蔽时面临挑战。而超材料在操纵电磁波方面具有更强的灵活性和自由度，可以同时实现低的红外发射率和高的微波吸收，成为解决这些挑战的非常有希望的解决方案。

红外隐身效果受温度和红外发射率的影响。因此，通过热屏蔽和在红外光谱(3-5μm和8-14μm)中使用低发射率材料，可以实现红外隐身。雷达隐身材料可分为两类：吸收型隐身材料(雷达吸波材料)和扩散型隐身材料(相位抵消)。本发明主要研究吸收型隐身材料，利用具有高的电磁损耗或磁损耗的材料来吸收来袭的雷达波，以实现雷达隐身。研究人员通常使用高阻抗表面进行吸收，尤其是电阻加载频率选择表面。然而，这种方法的吸收带宽较窄，无法满足现代对轻薄材料的要求。因此，研究人员开始使用电阻膜作为吸收层，这大大减轻了整体重量，为未来的发展奠定了坚实的基础。

目前，已有基于电阻膜的红外-雷达双隐身超材料研究，如文献(Zhang C,Wu X,Huang C,et al.Flexible and Transparent Microwave–Infrared Bistealth Structure[J].Advanced Materials Technologies,2019,4(8).)提出了一种柔性透明的微波-红外双稳态结构，该结构在7.5-18GHz的RCS缩减了10dBm²，但其对低频难以吸收，对带宽的拓展仍有提升的空间。

目前，也有基于多层电阻膜的超宽带红外-雷达双隐身超材料研究，如文献(DingZ,Bian W,Jing N,et al.Ultra-wideband flexible radar-infrared bi-stealthabsorber based on a patterned graphene.[J].Optics express,2023,31(2):1969-1981.)出了一种利用三层不同图案的石墨烯电阻膜的吸收体，它用于雷达-红外双重隐身应用并且具有低红外发射率、超宽带、柔性的良好特性，并且具有良好的角度稳定性，但是具有厚度较厚的缺点。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，具有超宽带，极化不敏感，红外发射率低，高吸收率，低剖面的特点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，包括由多个周期单元结构形成的阵列，周期单元结构包括底部反射层、三层雷达吸收层、顶部红外屏蔽层以及泡沫层，底部反射层与三层雷达吸收层各层之间设有不同厚度的所述泡沫层；所述顶部红外屏蔽层由基底上的方形金属阵列构成，每个金属阵列单元由中央正八边形和四周的正直角三角形构成，所述正直角三角形和正八边形之间设有间隙，相邻两个金属阵列单元的正八边形之间留有间隙，每两行两列金属阵列单元之间的正直角三角形构成方片结构；三层雷达吸收层中各层电阻膜图案均为90°旋转对称的图案，由下至上第一层至第三层分别为单片方片、2×2方片阵列、4×4方片阵列结构，方片边长逐层减少，方片之间的间隙逐层增加。

作为优选，所述底部反射层和三层雷达吸收层均由电阻膜和PET衬底构成。

作为优选，所述顶部红外屏蔽层由铜片阵列和F4B基底构成。

作为优选，所述泡沫层为PMI泡沫层。

作为优选，所述周期单元结构边长为17.6mm，所述顶部红外屏蔽层的方形金属阵列为周期边长为0.8mm的22×22的铜图案阵列。

作为优选，红外屏蔽层的红外发射率根据公式ε_total＝ε_cf_c+ε_d(1-f_c)计算其中ε_total,ε_c,ε_d分别代表整体、金属、介质衬底的红外发射率，并且f_c代表金属的占空比；通过调整正八边形的高和正八边形与正直角三角形之间的间隙调整红外发射率。

作为优选，所述三层雷达吸收层中衬底的厚度相同。

作为优选，三层雷达吸收层与底部反射层中间的泡沫层厚度不同，通过不同的厚度的泡沫层将吸收层间隔开来以达到阻抗匹配的效果，并且多层吸收层相互叠加，增加其从低频到高频的谐振点以达到拓宽带宽的效果。

作为优选，三层雷达吸收层中的电阻膜的阻值不同。

作为优选，在F4B衬底上采用印刷电路板技术生成红外屏蔽层的正八边形片和方片阵列的铜材料结构；在不同雷达吸收层的PET衬底上通过溅射技术生产出电阻膜方形阵列。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.超宽带吸收：本发明通过多层雷达吸收层的堆叠实现多谐振以拓宽带宽，通过每一层不同方形阵列以及方形大小可以形成不同的谐振，以形成从低频导高频不同频点的吸收峰，最终在2.164–18.25GHz带宽内形成吸收率大于90％超宽带吸收。

2.吸收率高以及角度稳定性较好：本发明在吸收带宽内可以实现90％以上的宽带吸收，通过调整整体厚度以实现阻抗匹配，逼近理论中的完美吸收；并且在TE波入射下，其入射角度在30°以内其在吸收带宽内可以基本上实现超过90％的带宽吸收，在TM波的入射下其角度稳定性可以达到45°。

3.低剖面：本发明通过不同层之间的结构设计增强了吸收效果，并且将泡沫层作为中间层，由于其低介电常数的特性，可以使空气中的电磁波多次反射，从而促使能量的损耗，增强吸收，从而减小相对厚度。本发明实验例的整体厚度为0.0931λ_L，λ_L为最大的工作波长，相对厚度较现有其他设计较薄。

4.本发明不仅有雷达隐身的功能，还有较好的红外隐身性能。本发明的红外屏蔽层中金属材料红外发射率小于0.1，而衬底的红外发射率接近0.9；本发明的红外屏蔽层中的金属材料由正八边形以及四周的直角三角形构成，使其具有较高的占空比，为76.97％；因此，整体红外发射率小于0.284，实现了低的红外发射率；并且在相同的占空比下本发明比传统方形结构透射系数更高。

附图说明

图1是本发明实施例中基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料的周期结构单元三位结构示意图。

图2是本发明实施例中基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料各层结构的俯视图，其中，(a)为红外屏蔽层金属单元结构，(b)为顶层电阻膜结构，(c)为中层电阻膜结构，(d)为底层电阻膜结构。

图3是利用CST STUDIO SUITE(CST)软件对本发明实施例中基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料中的红外屏蔽层结构进行建模仿真得到的|S₂₁|曲线参数图，并与传统方片型结构的仿真结果进行对比图。

图4是本发明实施例中基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料在TE、TM波入射下的吸收率曲线图。

图5是本发明实施例中基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料在TE、TM波入射下不同入射角时的吸收率曲线图，其中，(a)为TE波入射下的吸收率曲线，(b)为TM波入射下的吸收率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明。

本发明实施例公开了一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，该超宽带红外雷达双隐身超材料周期立体结构单元如图1所示，从下至上依次包括：位于最底层的反射层8，本实施例中采用金属铝板；位于底部反射层上方的三层雷达吸收层，其中每层由衬底4和不同图案的导电油墨电阻膜构成，本实施例中采用衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，第一层电阻膜图案7、第二层电阻膜图案6和第三层电阻膜图案3分别为单片方片、2×2方片阵列、4×4方片阵列结构，方片的大小和方片之间的间隙均不相同，方片边长逐层减少，方片之间的间隙逐层增加；每一层的功能层由不同厚度的聚甲基丙酰亚胺(PMI)泡沫层间隔开来，顶部红外屏蔽层直接堆放在吸收体上面。顶部红外屏蔽层由基底2上的方形金属阵列1构成，每个金属阵列单元由中央正八边形和四周的正直角三角形构成，正直角三角形和正八边形之间设有间隙，相邻两个金属阵列单元的正八边形之间留有间隙，每两行两列金属阵列单元之间的正直角三角形构成方片结构。

本实施例中红外屏蔽层由F4B衬底和铜片阵列组成。PMI泡沫层5的厚度均不同，并且电阻膜的方阻也均不同。具体地，本发明实施例设计出一种新颖的红外屏蔽层结构。通常研究人员会降低超材料整体的红外发射率而实现红外隐身。所以评估红外屏蔽层有效性的关键标准在于红外发射率是否足够低，同时微波透射率是否足够高。这一点至关重要，因为只有当微波通过红外屏蔽层到达吸收层时才能被吸收。如图3所示，本发明的红外屏蔽层结构经仿真得到的透射系数要明显高于在同等占空比下的传统方片型结构。红外屏蔽层的红外发射率可以被公式ε_total＝ε_cf_c+ε_d(1-f_c)计算得出，其中ε_total,ε_c,ε_d分别代表整体，金属，介质衬底的红外发射率，并且f_c代表金属的占空比。本发明的红外屏蔽层中金属材料红外发射率小于0.1，而衬底F4B的红外发射率小于0.9。通过提高低红外发射率材料的占空比而实现良好的红外隐身性能，本发明红外屏蔽层的金属材料铜的占空比为76.97％，实现了低的红外发射率。

本实施例中，红外屏蔽层中周期单元结构的铜图案由22×22小单元构成，即正八边形和四周的正直角三角形，其之间的间隙g＝0.08mm，正八边形的高c＝0.72mm。

基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料使用三层不同电阻膜图案的雷达吸收层可以产生从低频到高频不同频点的谐振，从而产生多个吸收峰以拓宽带宽；并且使用相对相对介电常数为1.05的PMI泡沫层作为各个功能层之间的中间介质层，其低介电常数和低磁导率的特性，可以使得电磁波在超材料内部自由传播，通过层与层之间多次反射和散射消耗电磁波的能量，实现电磁吸收；并且通过调整各层PMI泡沫层的厚度来达到阻抗匹配，实现理论上的完美吸收；使用高阻抗的电阻膜，将电磁波转换成电流并以热能的形式耗散；使用衬底PET来支撑电阻膜。

本实施例中，在PET基底上印制的电阻膜结构高度对称性，满足x轴和y轴轴对称和高度的中心对称(90°旋转对称)。周期单元边长p＝17.6mm，最底层的雷达吸收层的电阻膜结构为方形结构，边长a＝17.1mm，方形结构位于单元结构的中心位置；中间层的电阻膜结构由2×2的正方形阵列构成，方形边长a₂＝8.1mm，正方形彼此间隔g₂＝0.7mm，此阵列位于单元结构的中心位置；顶层的电阻膜结构由4×4的正方形阵列构成，正方形边长a₃＝2.2mm，正方形彼此间隔1.2mm。

下面结合具体示例，说明本实施例提供的超材料的具体特性。如图1和图2，本示例中，超材料单元的结构参数为p＝17.6mm,a＝17.1mm,a₂＝8.1mm,g₂＝0.7mm,a₃＝2.2mm,g₃＝1.2mm,g₄＝2.6mm,c＝0.72mm,g＝0.08mm,h₁＝4.9mm,h₂＝5mm,h₃＝2.3mm，h_P＝0.175mm，h_F＝0.254mm，这里的p为在x、y方向的周期长度，h₁、h₂、h₃为从下至上泡沫层的厚度，a、a₂、a₃分别为第一层到第三层电阻膜结构方片的边长，g₂、g₃分别为第二层和第三层电阻膜结构方片之间的间隙，g₄为第三层电阻膜结构方片阵列到单元边缘的距离，c为红外屏蔽层金属图案中正八边形的大小而g为它们之间的间隙。红外屏蔽层的介质基板采用F4B，相对介电常数2.65，损耗正切0.001；雷达吸收层中每层的介质PET的厚度均为0.175mm，相对介电常数为3.0，损耗角正切为0.06；泡沫层PMI的相对介电常数为1.05，损耗角正切为0.001；而底层使用铝板作为雷达反射层，厚度为0.1mm。三层雷达吸收层中的电阻膜的阻值不同，从下至上的电阻膜阻值分别为：R₁＝100ohm/sq，R₂＝150ohm/sq，R₃＝70ohm/sq。

本实施例中，铜图形的制备方法与电阻膜结构的制备方法为：

首先，通过印刷电路板技术制备超材料顶层的红外屏蔽层铜图形，生成正八边形铜片和方形铜片。八边形片的宽度c＝0.72mm；八边形片之间的间隙和八边形片与方片之间的间隙均为g＝0.08mm；然后通过溅射技术在PET衬底上生产出电阻膜方形阵列，第一层电阻膜方片边长为a＝17.1mm，第二层电阻膜方片边长a₂＝8.1mm，间隙g₂＝0.7mm，第三层电阻膜方片边长a₃＝2.2mm，间隙g₃＝1.2mm，g₄＝2.6mm。最后，通过双面胶将各个功能层以及间隔层泡沫PMI粘贴起来，形成最终的超宽带雷达-红外双隐身超材料结构。

图4为使用CST仿真软件对本发明进行在TE与TM波入射下吸收率的仿真，可以看出，由于每层的图案都是四重对称的，因此所提出的吸收器的吸收率对入射波的偏振角不敏感，并且在2.164–18.25GHz带宽内吸收率大于90％。

图5为TE与TM入射波在不同角度下的吸收率。在TE波的入射下，入射倾斜角度在30°以内的反射系数可以达到稳定，其吸收率基本上在90％以上。而在TM模式下，其角度稳定性可以达到45°，表现了良好的角度稳定性。

综上，本发明可以实现红外-雷达隐身兼容功能，其低红外发射率材料占空比高达76.97％，整体红外发射率小于0.284，并且红外屏蔽层结构的性能要优于传统方片结构。并且本发明可以达到2.164–18.25GHz吸收率大于90％的吸收带宽，覆盖了S，C，X，Ku波段。本发明相较于其他工作厚度较薄，仅为0.0931λ_L，并且具有良好的角度稳定性，现有设计，如文献(Ding Z,Bian W,Jing N,et al.Ultra-wideband flexible radar-infrared bi-stealth absorber based on a patterned graphene.[J].Optics express,2023,31(2):1969-1981.)厚度为0.10976λ_L，文献(牛帅,et al."一种基于超材料的轻质宽带雷达/红外兼容隐身结构."红外与毫米波学报41.4(2022):745-750.)厚度为0.1575λ_L。

Claims (10)

1.一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，包括由多个周期单元结构形成的阵列，周期单元结构包括底部反射层、三层雷达吸收层、顶部红外屏蔽层以及泡沫层，底部反射层与三层雷达吸收层各层之间设有不同厚度的所述泡沫层；所述顶部红外屏蔽层由基底上的方形金属阵列构成，每个金属阵列单元由中央正八边形和四周的正直角三角形构成，所述正直角三角形和正八边形之间设有间隙，相邻两个金属阵列单元的正八边形之间留有间隙，每两行两列金属阵列单元之间的正直角三角形构成方片结构；三层雷达吸收层中各层电阻膜图案均为90°旋转对称的图案，由下至上第一层至第三层分别为单片方片、2×2方片阵列、4×4方片阵列结构，方片边长逐层减少，方片之间的间隙逐层增加。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，所述底部反射层和三层雷达吸收层均由电阻膜和PET衬底构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，所述顶部红外屏蔽层由铜片阵列和F4B基底构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，所述泡沫层为PMI泡沫层。

5.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，所述周期单元结构边长为17.6mm，所述顶部红外屏蔽层的方形金属阵列为周期边长为0.8mm的22×22的铜图案阵列。

6.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，红外屏蔽层的红外发射率根据公式ε_total＝ε_cf_c+ε_d(1-f_c)计算其中ε_total,ε_c,ε_d分别代表整体、金属、介质衬底的红外发射率，并且f_c代表金属的占空比；通过调整正八边形的高和正八边形与正直角三角形之间的间隙调整红外发射率。

7.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，所述三层雷达吸收层中衬底的厚度相同。

8.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，三层雷达吸收层与底部反射层中间的泡沫层厚度不同，通过不同的厚度的泡沫层将吸收层间隔开来以达到阻抗匹配的效果，并且多层吸收层相互叠加，增加其从低频到高频的谐振点以达到拓宽带宽的效果。

9.根据权利要求1所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，三层雷达吸收层中的电阻膜的阻值不同。

10.根据权利要求l所述的一种基于多层电阻膜的超宽带红外雷达双隐身超材料，其特征在于，在F4B衬底上采用印刷电路板技术生成红外屏蔽层的正八边形片和方片阵列的铜材料结构；在不同雷达吸收层的PET衬底上通过溅射技术生产出电阻膜方形阵列。